电压互感器的绝缘结构、老化因素及对应措施

在互感器设计中，绝缘部分一般采用传统的设计方法，即采用检验统计的方法确定互感器绝缘的寿命。近年来，互感器绝缘设计方法中出现了现代的设计方法，如有限元分析法、可靠性设计技术和优化设计技术，并且借助计算机技术的发展，使用大型专业分析优化软件进行分析设计，采用现代设计方法得到的方案比利用传统设计方法设计出的方案更加经济合理。由于现代设计方法还处于发展之中，现代设计方法的具体内容难以确定，但目前己有多种比较成熟的方法，概括起来有:优化设计、有限元分析、可靠性分析、造型设计、价值工程、设计专家系统；计算机辅助设计等。而且这些方法交叉运用，可以构成多种具有*应用对象的方法，如可靠性优化设计等。
    一、电压互感器的绝缘结构

    电压互感器按绝缘介质分有干式、浇注式、油浸式和气体式四类，电压互感器的绝缘结构按照电压等级的不同、使用环境的不同采取不同的方式。通常测量用的低电压互感器是干式，高压或超高压密封式气体绝缘(如六氟化硫)互感器也是干式。浇注式适用于35kV及以下的电压互感器，35kV以上的产品均为油浸式。其中，环氧树脂浇注式互感器与传统的油浸式、充气式互感器相比，具有无油、无气、无外壳、终身免维护、绝缘性能好等优点，是目前世界上普遍使用的一种互感器。

    1、干式绝缘结构

    干式绝缘结构制造简单、成本低廉，但绝缘强度不高，所以采用这种结构的电压一般不超过380V。导线采用QZ型漆包圆铜线，绝缘结构所用的绝缘材料主要有：绝缘纸、玻璃丝布带、酚醛塑料等。线圈与铁心之间采用胶木或塑料骨架绝缘，层间绝缘以及一次与二次线圈之间的主绝缘，一般采用黄蜡绸或聚脂薄膜。仪用电压互感器环形铁心与线圈之间的绝缘，一般采用绝缘纸板，再绕一两层玻璃丝带、黄蜡绸或聚脂膜带。干式结构简单，但体积较大，只适用于低压户内装置，或者10kv及以下的仪用电压互感器。

    2、浇注式绝缘结构

    所谓浇注式绝缘是指由树脂、填料、颜料及固化剂等按一定比例混合后，浇注到装有互感器的一、二次绕组及其他零部件的模具内，经固化成型所形成的固体绝缘。固化成型的混合胶既固定了各相关零部件，又是互感器的主绝缘。浇注绝缘具有绝缘性能好、机械强度高、防潮、防火等优点。树脂混合胶在室温或高温下，具有较好的流动性，可以填充小的间隙，容易浇注成比较复杂的形状，树脂混合胶还具有很强的粘合作用，能把金属和许多绝缘材料牢固地粘接在一起，是比较理想的互感器绝缘成型材料，目前广泛应用于35kV及以下电压等级的户内互感器。

    目前我国互感器上普遍使用的树脂有环氧树脂和不饱和树脂两种。不饱和树脂价格便宜，可常温固化，浇注工艺简单，但是其电气和机械强度低，耐热性较差；此外，不饱和树脂的饱和蒸汽压高，混合胶不宜真空脱气，浇注时也不宜抽真空，浇注体内有气泡；不饱和树脂的固化收缩率大，混合胶固化时容易开裂。因此不饱和树脂只适用于低电压的产品。环氧树脂的固化收缩率小，饱和蒸汽压低，适于在高温、高真空下浇注，使混合胶的流动性更好，可以大限度地脱气，从而得到性能理想的浇注体。

    浇注式绝缘有半浇注和全浇注两种:半浇注式是线圈单独浇注，然后再装上铁心；全浇注式是线圈和铁心装好后一起浇注。环氧树脂全浇注电压互感器具有以下特点：(1)实现了无油化，保护了环境；(2)实现了免维护，节约了大量的人力物力及停电时间；(3)其制造材料均为不燃或耐燃自熄物质，阻燃、防爆。

    线圈对铁心和地的绝缘都由树脂承担，浇注时要求不夹入气泡或导电杂质。线圈层间绝缘采用电缆纸或复合绝缘纸。一次与二次线圈间的主要绝缘采用环氧树脂筒、酚醛纸筒或经过真空压力浸漆的电缆纸筒。塑料浇注式结构紧凑，维护方便，适用于3～10kV的户内装置。

    环氧树脂是一种早就广泛应用的化工原料，它不仅是一种难燃、阻燃的材料，且具有*的电气性能，后来逐渐为电工制造业所采用。浇注式电压互感器结构紧凑，维护简单，随着户外用树脂的发展，亦将逐渐在35kV以上户外产品上采用。浇注式电压互感器按浇注形式分为半浇注式和全浇注式。其中，一次绕组和各低压绕组，以及一次绕组出线端的两个套管均浇注成一个整体，然后再装配铁心的是一种常用的半浇注式结构，优点是浇注体比较简单，容易制造，缺点是结构不够紧凑，铁心外露会产生锈蚀，需要定期维护;绕组和铁心均浇注成一体的叫全浇注式，其特点是结构紧凑，几乎不需维护，但是浇注体比较复杂，铁心缓冲层设置比较麻烦。

    浇注互感器外绝缘根据户内、户外两种结构形式有所不同。户内互感器用混合胶将一次绕组引线浇注成套管，以保证引线端子到底座或外露铁心的绝缘距离，浇注套管一般是圆锥体、圆柱体或方柱体，有时也根据需要设有伞裙。户外互感器的外绝缘有许多伞裙，以增加沿面爬电距离。有时还设计为大小伞裙，以提高其防污和抗凝露闪络能力。户外浇注互感器的胶料与户内浇注互感器的胶料有所不同，其所用环氧树脂、填料、固化剂均应满足户外运行条件。

    3、油浸式绝缘结构

    在我国互感器中，目前油浸式电压互感器占很大比重，其结构形式普遍用于35kV及以上各等级电压互感器。较低电压等级的户内产品也有采用这种结构的。油浸式电压互感器可分为单级式和串级式两种，单级式用于220kV及以下各电压等级，串级式用于66kV及以上电压等级。

    油浸式电压互感器的绝缘可分为:在油中的内部绝缘和在空气中的外部绝缘。主绝缘为一次绕组及高压引线对铁心或接地部分和对其他绕组的绝缘。串级式电压互感器的铁心与铁心之间及铁心与地之间的绝缘也视为主绝缘。纵绝缘为绕组的线匝间、层间、线段间的绝缘。

    4、气体绝缘结构

    SF6气体无色、无味，具有较高的电气强度，优良的灭弧性能，良好的冷却特性，不可燃，灭弧能力强，是一种*的绝缘物质。将它用于电气设备可免除火灾的威胁，缩小设备尺寸，提高系统运行的可靠性。SF6金属封闭式组合电器(GIS)的出现，缩小了户外变电所的占地面积，提高了运行的安全可靠性。一般SF6气体绝缘互感器用在GIS设备的配套设备中，互感器装到GIS上以后，充满SF6气体，有着良好的绝缘性能。

    SF6电压互感器采用单相双柱式铁心，器身结构与油浸单级式电压互感器相似，包括绕组端部绝缘、高压引线绝缘、一次绕组与铁轭、外壳等其他接地金属件之间的绝缘。若是三台单相电压互感器装在一个外壳内，还包括相间绝缘。层间绝缘采用有纬巨制粘带和聚酷薄膜，一次绕组截面采用矩形或分级宝塔形。引线绝缘根据互感器是配套式还是

    独立式有所不同，目前国内制造厂采用高压引线与其它附件的SF6间隙来保证其绝缘强度。

    采用SF6气体的互感器误差稳定，目前只生产接地型，单项式用于分相全封闭组合电器。三相由三台单相互感器构成，用于三相共箱全封闭组合电器。另外还有独立式单相SF6气体绝缘互感器用于一般开敞式变电站。

    二、造成绝缘老化的因素

    电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列如固体介质软化或熔解等形态变化、低分子化合物及增塑剂的挥发等的物理变化和如氧化、电解、电离、生成新物质等的化学变化，致使其电气、机械及其他性能逐渐劣化如电导和介质损耗增大、变脆、开裂等，这些现象统称为绝缘的老化。绝缘老化终导致绝缘失效，电力设备不能继续运行。所示绝缘材料的寿命与老化时间的关系见图1。

图1绝缘材料的寿命与老化时间的关系

    促使绝缘老化的原因很多，主要有热、电和机械力的作用，此外还有水分(潮气)、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。绝缘老化的速度与绝缘结构、材料、制造工艺、运行环境、所受电压、负荷情况等有密切关系。

    1、热老化

    电气设备绝缘在运行过程中因周围环境温度过高，或因电气设备本身发热而导致绝缘温度升高。1930年v.m.montsinger提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系即10℃规则，认为温度每升高10℃则绝缘寿命约减半。但实际上，不同绝缘的老化速度应该不同，因此10℃规则不能简单地应用于所有的绝缘系统。1948年Dakin提出的新观点认为热老化实为有聚合链分裂等作用的氧化效应，本质为一种化学反应过程，因此应当遵循化学反应速率方程：

    Lnl=lnα+b/t

    其中，α、b分别是由特定老化反应所决定的常数，l为绝缘寿命，t为温度。该方程的提出，为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据，弥补了Montsinger10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点。

    在高温作用下，绝缘的机械强度下降，结构变形，因氧化、聚合而导致材料丧失弹性，或者造成耐放电性能降低；因材料裂解而造成绝缘击穿，电老化寿命缩短，因为温度增高时，放电起始电压降低，放电强度增加，放电产生的化学腐蚀增加，热的不稳定性也能在更低的电压与频率下发生。户外电气设备会因热胀冷缩而使密封破坏，水分侵入绝缘；或因瓷绝缘件与金属件的热膨胀系数不同，在温度剧烈变化时，瓷绝缘件破裂。但是有试验数据表明，不能用室温下所得材料耐放电性的试验结果来预测高温下的性能。

    2、电老化

    电气设备绝缘在运行过程中会受到电场的作用。绝缘所承受的电场强度对其寿命有非常大的影响，原因是，一方面场强增加，放电次数增加;另一方面加快了从局部放电到击穿的过程。绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无定量化描述的理论公式。一般，电老化寿命与场强不是线性关系，而是反幂关系。在雷电过电压和操作过电压的作用下，绝缘中可能发生局部损坏。以后再承受过电压作用时，损坏处逐渐扩大，终导致*击穿。

    电老化是所有的高压电气设备不可避免的一种老化形式，用于高压电气设备的绝缘在制造过程中内部或多或少会存在一些微观尺度甚至宏观尺度的气隙缺陷。当外电场达到气隙的起始放电电压时，就会发生局部放电，破坏绝缘的结构，逐步降低它的绝缘性能。常用的单应力电老化模型有反幂及指数模型分别为

    L=K-n

    L=αexp(-bE)

    式中，E为电场强度；k，n，α，b为实验确定的常数。

    电老化的机理十分复杂，如电场的均匀程度与电压的频率均会对电老化的速度造成影响，当固体绝缘介质处在均匀电场中时，其击穿电压往往较高;而在不均匀的电场中，其击穿电压往往较低。同一种绝缘介质在不同的电压频率下，放电次数随频率成比例增加，因此，除频率非常高引起热击穿外，一般绝缘的电老化寿命与频率成反比。此外，不同材料的寿命一场强曲线是交错的。

    不少研究者认为，当外施电压低于绝缘的局部放电起始放电电压时，材料就不会发生由电场所引起的老化。在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场闽值式，当绝缘承受的外加电场低于或接近该电场阐值时，其寿命将趋于无穷。对于上述闻值电场的存在，也有持不同观点的人认为，绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续的过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阐值。一些学者通过对气穴中空气从亚电晕到强烈电晕过渡过程中非线性电导率的理论计算和实测数据表明，低电压下的微小亚电晕电流将引起气穴中气体和气穴表面温度的升高。随电压的提高，亚电晕放电形式向强烈电晕放电形式转化，放电源的温度将不断上升，说明绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续的过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阐值。该观点如被更多的实验证实，将因其物理过程清晰，测量方法明确，可能具有更大的说服力。

    3、机械力老化

    在机械负荷、自重、振动、撞击和短路电流电动力的作用下，绝缘会破坏，机械强度下降。另外材料内部存在拉伸应力时，它的耐放电性能下降。但压缩应力对它的耐放电性能影响不大。由于材料在制造和应用过程中常存在残余拉伸应力，因此它对材料老化寿命的影响极为重要。

    4、湿度老化

    环境的相对湿度对绝缘材料耐受表面放电的性能有影响。如果绝缘承受表面放电，环境的相对湿度对材料的耐放电性有显著影响。由于在高相对湿度下，放电的结果在材料表面会生成一层半导电层，使放电产生自衰。因此，在表面放电情况下，一定相对湿度范围内，绝缘材料的电老化寿命随相对湿度的增高而增长;但在较高的相对湿度下，寿命随相对湿度的增高而缩短。如果水分侵入绝缘内部，将会造成介质电损耗增加或击穿电压下降。对于某些绝缘材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的电场强度下也会发生树枝现象。

    5、化学老化

    绝缘材料在水分、酸、臭氧、氮的氧化物等的作用下，物质结构和化学性能会改变，以致降低电气和机械性能。例如变压器油在空气中会因氧化产生有机酸，使介质损耗增加:同时还会形成固体沉淀物，堵塞油道，影响对流散热，使绝缘的温度上升而使绝缘性能下降。

    6、其他老化因素

    绝在户外使用的绝缘材料受日光直接照射，在紫外线作用下也会发生老化。在核反应堆、X射线装置中用的绝缘材料受到辐射作用，均会发生老化。此外，在温热带地区绝缘材料还会受到各种微生物的损害，即所谓微生物老化。

    绝缘材料在实际应用中往往同时受到多种老化因素的共同作用，其效应并不是各种单一因素老化效应的简单叠加。它们之间还存在着相互作用，所以老化机理很复杂。

    三、电压互感器绝缘结构发展趋势

    电压互感器的原理比较简单，不同用户，依据电压互感器使用的场合、用途、产品更新换代的速度对电压互感器提出不同的使用寿命要求，由于不同寿命的产品成本、价格有着很大的差异，电压互感器的绝缘设计寿命将按照用户预期使用的寿命来设计，将*改变旧有产品使用越久越合算的观念。

    将机械设计中应力一强度干涉理论将引入电气绝缘可靠性技术中来，这项技术的发展使电器产品的绝缘使用寿命可以随着用户对不同场合、用途的电压互感器使用寿命提出差异化要求成为现实。

    电压互感器的绝缘寿命薄弱环节，即一次线圈直角部分的电极造成的电位线畸变引起电场集中问题。可以通过增大薄弱区域的绝缘来解决这个问题，但增大绝缘要与成本增加综合考虑;也可以考虑采取屏蔽的方式，改进线圈的设计降低电场、温度场应力的方式来进行优化，如增大线圈线径、增加线圈直径增大散热和对线圈直角部分倒圆角、对一次线圈增加铜制均压环的方式解决电场畸变的问题等。降低温度的方式和增加铜制均压环的方式都需要增加铜金属的成本，经济上不划算，因此选择比较经济的对一次线圈直角部分进行倒圆角，将电极和造成电场集中的电极变的圆滑，改善电场分布的方式进行优化。